CN104362194A - 背接触层结构及包含其的CdTe太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本公开通过在CdTe薄膜和金属背电极之间引入高功函数过渡金属氧化物层，大大减少实现欧姆背接触所需的Cu元素的量，同时，过渡金属氧化物层起着阻挡金属背电极中金属原子向CdTe以及CdS/CdTe p-n结处扩散的作用，提高了背接触电极的稳定性，保证了电池的高转换效率和在使用过程中的长期稳定性。
Description
技术领域
本公开属于太阳能光伏器件制备领域，特别涉及一种背接触层结构及包含其的CdTe太阳能电池。
背景技术
CdTe是一种禁带宽度为1.45eV的II-VI族直接带隙半导体，具有适合太阳能光电转换的最佳能带结构及带隙。CdTe薄膜的吸收系数高达105cm-1，只需要2微米厚度，就可以将入射太阳光中能量高于其禁带宽度的99％的光子吸收。因此，CdTe作为一种具有应用前景的薄膜太阳能电池材料受到广泛地关注。CdTe薄膜太阳能电池一般采用如下的异质结多层器件结构：高透光率玻璃/透明导电氧化物/N型硫化镉/P型碲化镉/背电极。其理论转换效率为29％，目前该电池的实验室最高转换效率已达到20.4％。
P型半导体CdTe的功函数高达5.7eV，高于大多数金属材料的功函数，在CdTe/金属界面会形成肖特基势垒而严重阻碍载流子的传输，在电池的电流-电压特性曲线上表现为高电压端电池的电流受到限制，在高于开路电压端，造成曲线的扭曲，即文献上被称为“roll-over”的现象，降低器件性能。所以，在CdTe太阳能电池制备过程中，实现CdTe与背电极金属的欧姆接触是获得高转换效率电池的关键技术之一。为了获得良好的欧姆接触，需要降低肖特基势垒高度和减小肖特基结区宽度。迄今为止，通常使用的背接触制备工艺多数都采用掺Cu材料或在CdTe表面沉积一层Cu来降低CdTe材料和金属背电极的接触势垒。但是，由于在室温条件下，背接触结构中的Cu在CdTe中的扩散系数很大，长期工作条件下，Cu会沿着晶界扩散到CdTe及CdS/CdTe结区，造成电池性能的衰减。在保证电池高转换效率的基础上，选择包含更少量Cu、甚至是不含Cu的背接触材料，实现电池在户外长期工作条件下的稳定发电输出是CdTe薄膜太阳能电池在实际应用过程中的关键技术问题。
本公开通过在CdTe半导体薄膜和背电极金属之间引入高功函数过渡金属氧化物层，大大减少实现欧姆背接触所需的Cu的使用量，并且过渡金属氧化物层的存在可以阻挡金属背电极中金属原子(如Cu、Ni等)向CdTe的扩散，使得背接触的低阻和稳定实现了统一，保证了电池的高光电转换效率及其长期工作的稳定性。
发明内容
在本公开的一些实施方案中，提供一种用于制备CdTe太阳能电池背电极的背接触层结构：所述背接触层结构依次包括：
Cu金属层，所述Cu金属层沉积在经过刻蚀预处理的CdTe薄膜表面；
高功函数过渡金属氧化物层；和
金属背电极层。
在本公开的一些实施方案中，提供一种制造背接触层结构的方法，所述方法包括在经过刻蚀预处理的CdTe薄膜表面上依次形成：
Cu金属层；
高功函数过渡金属氧化物层；和
金属背电极层。
在本公开的一些实施方案中，所述刻蚀处理包括化学刻蚀(刻蚀溶液为磷酸硝酸溶液或溴的甲醇溶液)、干法刻蚀(采用等离子束轰击样品表面)或者化学气氛下的反应刻蚀。
在本公开的一些实施方案中，Cu金属层的厚度为0.3纳米至10纳米，优选0.3纳米至5纳米，再优选0.5至3纳米，最优选0.5纳米至2纳米。
在本公开的一些实施方案中，高功函数过渡金属氧化物的厚度为1纳米到100纳米，优选1纳米到50纳米，再优选1纳米到30纳米，最优选5纳米到20纳米。
(与下方重复表述)在本公开的一些实施方案中，所述过渡金属氧化物层为非晶态薄膜或多晶态薄膜。
在本公开的一些实施方案中，过渡金属氧化物通过物理溅射、热蒸发、化学气相沉积法、物理气相沉积、溶胶-凝胶法或喷涂热解法等制备。
在本公开的一些实施方案中，所述过渡金属氧化物选自MoOx、WOx、VOx、NiOx和TaOx；x表示该氧化物是化学计量比或非化学计量比的氧化物。
在本公开的一些实施方案中，所述高功函数过渡金属氧化物的功函数大小与其接触的P型半导体CdTe功函数的关系为：所述高功函数过渡金属氧化物的功函数等于或大于P型半导体CdTe的功函数减去0.3eV。
在本公开的一些实施方案中，所述金属背电极为功函数稳定的纯金属材料或金属合金材料。
在本公开的一些实施方案中，背接触层结构在所述金属背电极层的形成之后经历真空退火处理。
在本公开的一些实施方案中，所述CdTe薄膜太阳能电池包括根据本公开所述的背接触层结构。
在本公开的一些实施方案中，CdTe薄膜太阳能电池包括：
透明衬底；
设置在所述透明衬底上的透明导电前电极；
设置在所述透明导电前电极上的CdS窗口层；
设置在所述CdS窗口层上的作为吸收层的CdTe薄膜；
设置在所述CdTe薄膜上的本公开所述的背接触层结构。
附图说明
图1：基于本公开的背接触层制备方法的流程图。1：提供样品(玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉)；2：样品表面的刻蚀预处理；3：沉积Cu层；4：沉积过渡金属氧化物层；5：沉积金属背电极；6：真空退火处理。
图2：基于本公开的CdTe薄膜太阳能电池的结构示意图。1：入射光；2：玻璃；3：透明导电薄膜；4：N型硫化镉薄膜；5：P型碲化镉薄膜；6：Cu金属层；7：过渡金属氧化物层；8：金属背电极。
图3：基于实施方案一制得的CdTe薄膜太阳能电池的稳定性测试。曲线A：电池制备完成后，立刻在标准太阳光源(AM 1.5)下测得的电流-电压(I-V)曲线图；曲线B：电池在暗处室温条件下放置266天之后在标准太阳光源(AM 1.5)下测得的I-V曲线图。
具体实施方式
在本公开的一些实施方案中，为了解决现有CdTe薄膜太阳能电池实际应用中存在的稳定性问题，提供一种与CdTe薄膜太阳能电池中的CdTe薄膜形成稳定欧姆接触的新型背接触层结构及其制备方法。
在本公开的一些实施方案中，在化学或物理刻蚀处理过的CdTe表面沉积一极薄的Cu金属层，然后沉积高功函数过渡金属氧化物过渡层，最后沉积金属背电极(图1所示)。沉积完成后对整个背接触层进行退火处理，使得背电极中的Cu与CdTe表面反应，生成利于CdTe欧姆接触的碲化物退化半导体CuxTe层，以及使CdTe和背电极形成良好的接触。本公开的电池结构(图2所示)为：玻璃/透明导电氧化物/N型硫化镉/P型碲化镉/铜/过渡金属氧化物/金属背电极，其中Cu层会在后续热处理过程中与CdTe发生反应并部分向CdTe扩散，不会单独存在。由于所采用的过渡金属氧化物过渡层具有较高的功函数，可以减小由于金属背电极和CdTe功函数不匹配导致的肖特基势垒。使得CdTe表面仅仅需要少量的Cu掺杂即可实现欧姆接触。较少Cu的使用量以及过渡金属氧化物层对背电极中杂质离子扩散的阻挡作用，提高了CdTe太阳能电池器件性能的稳定性。
在本公开的一些实施方案中，所述的过渡金属氧化物可以使用已有的薄膜制备技术获得，包括但不局限于物理磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积法或物理气相沉积。
在本公开的一些实施方案中，所述过渡金属氧化物包括但不局限于MoOx，WOx，VOx，NiOx或TaOx；x表示该氧化物可以是化学计量比的氧化物也可以是非化学计量比的氧化物。
在本公开的一些实施方案中，所述高功函数过渡金属氧化物的功函数大小应与其接触的P型半导体CdTe的功函数相匹配，即应等于或大于P型半导体CdTe的功函数，若小于CdTe的功函数，两者的差值应当小于0.3eV。
在本公开的一些实施方案中，在完成金属背电极层制备之后，对所述CdTe薄膜电池结构的背接触层结构进行真空退火处理。
以下结合实施例对本公开作进一步说明，但本公开的内容不局限于实施例所涉及的内容。
本公开实施例中采用的样品为CdTe太阳能电池基本结构中不包括背电极的部分：玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉。上述样品经过CdCl2氛围下的热处理，用去离子水冲洗干净，并用N2吹干，然后进行本公开提出的背接触层的制备。下述实施例中，将只对背接触过渡层的制备作详述，而对制备结构为玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉多层薄膜的活化热处理及后续金属电极的制备则不再详述。
实施方案一：
(1)CdTe表面的化学刻蚀
将表面清洁的玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉薄膜结构样品放入磷酸硝酸溶液(体积比：硝酸∶磷酸∶水＝1∶70∶29)中刻蚀5到50秒，刻蚀完成后用去离子水将样品表面冲洗干净，然后用N2吹干。
(2)沉积Cu金属薄膜
将刻蚀完成的样品放入真空室，真空度为5×10-6Pa，采用电子束蒸发法，在样品表面沉积2nm厚的Cu金属层。
(3)沉积V2O5薄膜
将沉积完Cu薄膜的样品放入磁控溅射仪器的真空室内，利用4N纯度的钒(V)金属靶材进行直流反应溅射制备V2O5薄膜。在背底真空(5×10-3Pa)条件下，同时向系统内通入氧气和氩气。磁控溅射气氛为30％-40％氧分压的氧气和氩气混合气体，氧气和氩气的比例和总压强通过气体质量流量计控制和调节，总压强控制在0.2-0.5Pa。溅射功率与样品面积相关。先预溅射10min，然后打开遮挡样品的挡板，生长时间约为3min，制备的V2O5薄膜厚度约为15nm。
实施方案二：
(1)CdTe表面的化学刻蚀
将表面清洁的玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉薄膜结构样品放入溴甲醇溶液(溴与甲醇的体积比为1∶1000)中刻蚀5到50秒，刻蚀完成后用去离子水将样品表面冲洗干净，然后用N2吹干。
(2)沉积Cu金属薄膜
将刻蚀完成的样品放入真空室，真空度为5×10-6Pa，采用电子束蒸发法，在样品表面沉积1nm厚的的Cu金属层。
(3)沉积MoO3薄膜
将沉积完Cu薄膜的样品放入磁控溅射仪器的真空室内，利用4N纯度的MoO3靶材进行射频溅射制备MoO3薄膜。在背底真空(5×10-3Pa)条件下，同时向系统内通入氧气和氩气。磁控溅射气氛为5％-10％氧分压的氧气和氩气混合气体，氧气和氩气的比例和总压强通过气体质量流量计控制和调节，总压强控制在0.2-0.5Pa。溅射功率与样品面积相关。先预溅射10min，然后打开挡板，生长时间约为2min，制备的MoO3薄膜厚度约为15nm。
实施方案三：
(1)CdTe表面的干法刻蚀
将表面清洁的玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉薄膜结构样品置于真空(5×10-3Pa)条件下，采用等离子束(氩离子)轰击的方法，除去表面多余的CdCl2和热处理过程中产生的氧化物。该过程在0.2-0.4Pa的纯氩气氛中进行，轰击功率和束流与样品面积大小相关。轰击时间约为10min。
(2)沉积Cu金属薄膜
将刻蚀完成的玻璃/TCO/CdS/CdTe放入真空室，真空度为5×10-6Pa，采用电子束蒸发法，在样品表面沉积1nm厚的Cu金属层。
(3)沉积V2O5薄膜
将沉积完Cu薄膜的样品放入热蒸发的真空室内，用纯度为99.95％的V2O5粉末作为蒸发材料，蒸发时真空为5×10-3Pa，蒸发电流为80-100A，源-样品基板之间距离为4cm，所得V2O5薄膜厚度约为15nm。
Claims (10)
1.一种用于制备CdTe太阳能电池背电极的背接触层结构：所述背接触层结构依次包括：
Cu金属层，所述Cu金属层沉积在经过刻蚀预处理的CdTe薄膜表面；
高功函数过渡金属氧化物层；和
金属背电极层。
2.根据权利要求1所述的背接触层结构，其中所述刻蚀预处理包括化学刻蚀和干法刻蚀。
3.根据权利要求1所述的背接触层结构，其中所述Cu金属层的厚度为0.3纳米至10纳米；和/或所述高功函数过渡金属氧化物的厚度为1纳米至100纳米。
4.根据权利要求1所述的背接触层结构，其中所述过渡金属氧化物层为非晶态薄膜或多晶态薄膜；和/或所述过渡金属氧化物通过物理溅射、热蒸发、化学气相沉积法、物理气相沉积、溶胶-凝胶法或喷涂热解法制备；和/或所述过渡金属氧化物选自MoOx、WOx、VOx、NiOx和TaOx，其中x表示该氧化物是化学计量比或非化学计量比的氧化物。
5.根据权利要求1所述的背接触层结构，其中所述高功函数过渡金属氧化物的功函数大小与其接触的P型半导体CdTe的功函数的关系为：所述高功函数过渡金属氧化物的功函数等于或大于P型半导体CdTe的功函数减去0.3eV。
6.根据权利要求1所述的背接触层结构，其中所述金属背电极为功函数稳定的纯金属材料或金属合金材料。
7.根据权利要求1所述的背接触层结构，所述背接触层结构在所述金属背电极层形成之后经历真空退火处理。
8.一种制造背接触层结构的方法，所述方法包括在经过刻蚀预处理的CdTe薄膜表面上依次形成：
Cu金属层；
高功函数过渡金属氧化物层；和
金属背电极层。
9.一种CdTe薄膜太阳能电池，所述CdTe薄膜太阳能电池包括根据权利要求1-8中的任一项所述的背接触层结构。
10.根据权利要求9所述的CdTe薄膜太阳能电池，所述CdTe薄膜太阳能电池包括：
透明衬底；
设置在所述透明衬底上的透明导电前电极；
设置在所述透明导电前电极上的CdS窗口层；
设置在所述CdS窗口层上的作为吸收层的CdTe薄膜；
设置在所述CdTe薄膜上的权利要求1所述的背接触层结构。
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